電子技術綜合設計報告數字鐘設計講解

1、設計專題： 電子技術綜合設計設計題目：多功能數字鐘設計內容和要求：1. 主要內容： 用 CC4518 雙四位 BCD 同步加計數器設計 60 秒、60 分、24 小時歸 0 的計數電路 用 CC4511 七段譯碼驅動 / 鎖存器及 LG5011AH 共陰數碼管設計譯碼及顯 示電路（數碼管需加限流電阻） 用 555 設計 CP 脈沖源 （f=1KH） 具有系統(tǒng)校準功能 2. 整體電路原理圖60秒、 60分、 24小時 計數、譯碼、顯示電路（用 8K 白紙手工畫圖） 3. EWB 仿真圖60秒、 60 分、24 小時 計數、譯碼、顯示電路（計算機打?。?4. 設計原理圖用 PROTEL99 設計原

2、理圖（計算機打?。?5. 設計 PCB 版圖用 PROTEL99 設計 PCB 板圖（計算機打印） 6. 功能擴展要求設計：定點報時功能12 小時歸 1 計數電路指導教師簽字： 年 月 日 摘要：多功能數字鐘實際上是一個對標準頻率 （1HZ）進行計數的計數電路 . 由于計 數的起始時間不可能與標準時間 （如北京時間 ）一致, 故需要在電路上加一個校時電 路,同時標準的 1HZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定 . 通常使用石英晶體振蕩器電路構成 數字鐘 . 一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準 確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。數

3、字鐘從原理上講是一種典型的數字電路， 其中包括了組合邏輯電路和時序電 路。此次課程設計的數字鐘由下幾部分組成：石英晶體振蕩器、分頻器、秒脈沖發(fā) 生器、校正電路、 60進制的秒、分計時器和 24 進制計時計數器以及秒、分、時的 譯碼顯示部分等。 此次設計與制作數字電子鐘的目的是讓學生在了解數字鐘的原理的前提下，運用剛 剛學過的數電知識設計并制作數字鐘， 而且通過數字鐘的制作進一步了解各種在制 作中用到的中小規(guī)模集成電路的作用及其使用方法。由于數字電子鐘包括組合邏輯 電路和時序電路，通過它可以進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原 理與使用方法，從而實現理論與實踐相結合。關鍵詞 ：數字鐘，

4、數字電路原理，集成電路，課程總結 ,課程設計目錄1 數字鐘的基本組成及工作原理 11.1 數字鐘的構成 11.2 數字鐘的工作原理 22 數字鐘的設計與制作 32.1 設計步驟與方法 32.1.1 校時電路 32.1.2 振蕩電路 32.1.3 計數器電路 42.1.4 譯碼顯示電路 52.1.5 整點報時電路 72.1.6 秒脈沖發(fā)生器 72.2 數字鐘仿真圖 82.2.1 cc4518 功能 82.2.2 cc4511 功能 92.2.3 數字鐘電路原理圖 93 數字鐘的焊接及注意事項 103.1 焊接元件清單 113.2 焊接注意事項 123.3 安裝調試 124 擴展功能 134.1

5、數字鐘鬧時電路 144.2 仿電臺報時電路 144.3 定點報時電路 145 總結及體會 13 參考文獻 146 附錄 14第1頁徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告1 數字鐘的基本組成及工作原理數字鐘一種用數字電路技術實現時 ,分,秒計時的裝置 ,與機械式時鐘相比具有更高的準 確性和直觀性 ,且無機械裝置 ,具有更更長的使用壽命 ,因此得到了廣泛的使用。數字鐘從 原理上講是一種典型的數字電路 ,其中包括了組合邏輯電路和時序電路。目前 , 數字鐘的功 能越來越強 ,并且有多種專門的大規(guī)模集成電路可供選擇。從有利于學習的角度考慮 , 這里 主要介紹以中小規(guī)模集成電路和 PLD器件設計數字鐘的方

6、法。1.1 數字鐘的構成數字鐘實際上是一個對標準頻率(1HZ)進行計數的計數電路。由于計數 的起始時間不可能與標準時間 ( 如北京 時間)一致, 故需要在電路上加一個校 時電路, 同時標準的 1HZ時間信號必須 做到準確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩 器電路構成。如圖所示為數字鐘的一般 構成框圖。晶體振蕩器電路 晶體振蕩器電 路給數字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確 32768Hz的方波信號 , 可保證數字鐘的 走時準確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電 路。分頻器電路 分頻器電路將 32768Hz的高頻方波信號經 32768() 次分頻后得到 1Hz的 方波信號供秒計數器

7、進行計數。分頻器實際上也就是計數器。時間計數器電路 時間計數電路由秒個位和秒十位計數器 , 分個位和分十位計數器 及時個位和時十位計數器電路構成 , 其中秒個位和秒十位計數器 , 分個位和分十位計數器 為 60 進制計數器 , 而根據設計要求 , 時個位和時十位計數器為 12 進制計數器。譯碼驅動電路 譯碼驅動電路將計數器輸出的 8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯 狀態(tài), 并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。數碼管 數碼管通常有發(fā)光二極管 (LED)數碼管和液晶 (LCD)數碼管, 本設計提供的 為 LED數碼管。1.2 數字鐘的工作原理1) 晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構成數字式時

8、鐘的核心 , 它保證了時鐘的走時準確及穩(wěn)定。一般輸出為 方波的數字式晶體振蕩器電路通常有兩類 ,一類是用 TTL門電路構成 ;另一類是通過 CMOS 非門構成的電路。該電路廣泛使用于各種需要頻率穩(wěn)定及準確的數字電路, 如數字鐘, 電子計算機, 數字通信電路等。2) 分頻器電路通常,數字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高 ,為了得到 1Hz的秒信號輸入 ,需要對振蕩器 的輸出信號進行分頻。通常實現分頻器的電路是計數器電路 , 一般采用多級 2進制計數器 來實現。例如 , 將 32768Hz的振蕩信號分頻為 1HZ的分頻倍數為 32768(), 即實現該分頻功徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第 2頁

9、能的計數器相當于 15 級2 進制計數器。3) 時間計數單元時間計數單元有時計數 , 分計數和秒計數等幾個部分。時計數單元一般為 12 進制計數 器或 24進制計數器 ,其輸出為兩位 8421BCD碼形式;分計數和秒計數單元為 60進制計數器 , 其輸出也為 8421BCD碼。本次實驗采用的是 CC4518和 CC4511計數的。4) 譯碼驅動及顯示單元計數器實現了對時間的累計以 8421BCD碼形式輸出 , 為了將計數器輸出 8421BCD碼顯 示出來, 需用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需要的輸出邏輯和 一定的電流 ,一般這種譯碼器通常稱為 7 段譯碼顯示驅動器。常用的

10、 7 段譯碼顯示驅動器 有 CC4511。5) 校時電源電路當重新接通電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正。通常 , 校正時間的方法是 : 首先截斷正常的計數通路 , 然后再進行人工出觸發(fā)計數或將頻率較高的方波信號加到需要 校正的計數單元的輸入端 ,校正好后 ,再轉入正常計時狀態(tài)即可。6) 整點報時電路一般時鐘都應具備整點報時電路功能 ,即在時間出現整點前數秒內 , 數字鐘會自動報 時,以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波 , 較復雜的也可以是實時語音 提示。第3頁徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告2 數字鐘的設計與制作2.1 設計步驟與方法2.1.1 校時電路當重新接通

11、電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正。 通常，校正時間的方法是： 首先截斷正常的計數通路，然后再進行人工出觸發(fā)計數或將頻率較高的方波信號加到需要 校正的計數單元的輸入端，校正好后，再轉入正常計時狀態(tài)即可。根據要求，數字鐘應具 有分校正和時校正功能，因此，應截斷分個位和時個位的直接計數通路，并采用正常計時 信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。校時電路如圖所示2.1.2 振蕩電路晶體振蕩器是構成數字式時鐘的核心， 它保證了 時鐘的走時準確及穩(wěn)定。如右圖所示。2.1.3 計數器電路時間計數單元有時計數、分計數和秒計數等幾個部分。時計數單元一般為進制計 數器計數器，其輸出為兩位碼形式；分計數

12、和秒計數單元為進制計數 器，其輸出也為碼。秒個位計數單元為進制計數器，無需進制轉換，只需將與（下降沿有 效）相連即可。（下降沒效）與 Z 秒輸入信號相連，可作為向上的進位信 號與十位計數單元的相連。秒十位計數單元為進制計數器，需要進制轉換。分個位和分十位計數單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數單元完全相同，只不過 分個位計數單元的作為向上的進位信號應與分十位計數單元的相連，分十位計 數單元的作為向上的進位信號應與時個位計數單元的相連。時個位計數單元電路結構仍與秒或個位計數單元相同，但是要求，整個時計數單元應徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告 第 4頁 為進制計數器，不是的整數倍，因此需將個

13、位和十位計數單元合并為一個整體才 能進行進制轉換。CC4518雙 BCD同步加法計數器（國外同類型號： CD4518、MC4518） 管腳圖CL (CP0)EN (CP1)R功能10加計數00加計數0不變0不變00不變10不變1Q3Q0=0功能表: 計數狀態(tài)表 :60 進制計數電路 :（個位向十位的進位脈沖，需用 Q4的下降沿,接 EN端）CPQ4Q1000001000120010300114010050101601107011181000910011000002.1.4 譯碼顯示電路計數器實現了對時間的累計以 8421BCD碼形式輸出，選用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需

14、要的輸出邏輯和一定的電流，選用CC4511作為顯示譯碼電路，選用 LED數碼管作為顯示單元電路。CC4511 7 段鎖存/ 譯碼/ 驅動器（國外同類型號： CD4511、MC4511）顯示輸入輸出LEBILTDCBAabcdefg001100001111110101100010110000201100101101101301100111111011401101000110011501101011011011601101100011111701101111110000801110001111111901110011110011消隱011101000000001111消隱010000000鎖存11

15、1鎖存燈測 試01111111第5頁管腳圖：徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告功能表：功能說明：（1）燈測試功能： LT 可檢查七段顯示器各字段是否能正常發(fā)光。當 LT = 0 時，不論 Q0 Q3狀態(tài)如何，七段全部顯示，以檢查各字段的好壞。（2）消隱功能：當 BI=0 時，輸出 ab 都為低電平，各字段熄滅。（3）數碼顯示： 當 BI=1 LT=1 LE=0 ，譯碼器工作，當 3210端輸入 8421BCD碼時， 譯碼器對應的輸出端輸出高電平 1，數碼顯示相應的數字。（4）鎖存：在 LE 從“0”轉換到“ 1”時，輸出顯示由輸入的 BCD碼決定。LC5011-11 LED/7 段（共陰極

16、）數碼管徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第6頁譯碼/ 顯示電路 :1. 數碼管內部已將 3 端、 8 端連接在一起，所以使用 時， 3端接地， 8 端懸空）。2. 限流電阻計算：數碼管的工作電壓為 U（手冊數據）， 工作電流為 I （手冊數據），譯碼器輸出的高電平 Uag，則 限流電阻上的電壓應該為 UU，限流電阻阻值： R（ UagU） I2.1.5 整點報時電路一般時鐘都應具備整點報時電路功能， 即在時間出現整 點前數秒內，數字鐘會自動報時， 以示提醒。其作用方式是發(fā)出連續(xù)的或有節(jié)奏的音頻聲波，較復雜的也可以是實時語音提示。2.1.6 秒脈沖發(fā)生器555 構成多諧振蕩器（ f=1HZ

17、）555芯片介紹 管腳圖：555 構成多諧振蕩器電路圖（ f=1HZ ）參數計算:徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第7頁R1=500kohm R2=250kohm C1=1.5uf C2=0.01uf 多諧振蕩器的特點：（ 1）不需外觸發(fā)的自激振蕩器；（2）無穩(wěn)定狀態(tài)，均為暫穩(wěn)態(tài)；（3）矩形波中含有豐富的高次諧波，習慣稱多諧振蕩器。 工作原理 :（1）Vcc 通過 R1、R2向 C充電,在 VC 沒有充電到 2VCC/3 之前,Vo 保持 1 不變。（2）當 VC2VCC /3時 Vo由 1翻轉為 0 。 T 導通，電容 C 經 R2、T放電。（3）當 Vc降至 VCC /3時，使得 V

18、o回到 1 ，T截止，電容 C 再充電，進入循環(huán)2.2 數字鐘仿真圖2.2.1 cc4518 功能CC4518實現計數芯片功能介紹CC4518為雙 BCD加計數器，該器件由兩個相同的同步 4級計數器組成。 計數器為 D觸發(fā) 器。具有內部可交換 CP和 EN線，用于在始終上升沿或下降沿加計數。 在單個單元運算中， EN輸入保持高電平，且在 CP上升沿進位。 CR為高電平時，計數清零。計數器在脈動模式可級聯，通過將 Q3鏈接至下一計數器的 EN輸入端實現級聯。同時后 者的 CP輸入保持低電平。管腳圖cc4518 功能表第8頁徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告波形圖極限參數2.2.2 cc451

19、1 功能芯片功能介紹CC4511 是 BCD-7段所存譯碼驅動器，在統(tǒng)一單片結構上由 COMO邏S輯器件 npn雙極型 晶體管構成。這些器件的組合，使 CC4511具有底靜態(tài)耗散和高抗干擾及原電源電流高達 25mA的性能。由此可直接驅動 led 及其它器件。 LT,BI,LE 端分別檢測顯示。亮度調節(jié)， 存儲或選通 BCD碼等功能。當使用外部多路轉換電路時，可多路轉換和顯示幾種不同的 信號。管腳圖徐海學院“級電子技術綜合設計報告功能襲出 t AH H L LH H L LL L H H33射血娜麗面輛RRininiRihlllhhhhHbHL hlihh hlhlhlluH L H HIHH

20、H L hlhlhhlhX xlllhlhX- IL mJ h IE Llhhhhhhh*輸出上一 tLE=L時，為一A】的輸人狀怎.2.2.3數字鐘電路原理圖徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第 10 頁第 11 頁徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告3 數字鐘的焊接及注意事項3.1 焊接元件清單（見附錄）3.2 焊接注意事項1. 檢查印刷線路板，是否有斷線、短路等。2. 第一步焊 IN4148 二極管（黑圈為負極）， IN4007 （IN4002）二極管（白圈為負極） ， 兩個二極管要平行在一條線上。3. 第二步焊限流電阻，電阻黃色為有效環(huán)需放在上方，同時擺放要整齊。（為了保護 發(fā)光

21、數碼管防止電流過大而損壞數碼管需加，電源電壓低可以取值小些，電源電壓高可以 取值大些）。4. 第三步焊集成電路座，座的缺口為標志，方向應該在左邊。5. 電解電容須分清正負極，長腳為正短腳為負，獨石電容不分正負極。6. 發(fā)光二極管有正負極之分，長腳為正短腳為負 , 不要接反。7. 安插集成芯片時要看清候型號，注意芯片缺口方向應該在左邊，缺口對應的左下方 為 1 管腳。8. 開關（ K1）調整秒，開關（ K2）調整分，開關 （K3） 調整小時，開關 K4為暫 停，通過調整使時鐘的秒、分、時走時與標準時間同步。9. 芯片功能簡介： CC4518 為雙四位 BCD同步加計數器； CC4511 為七段譯

22、碼驅動 / 鎖存器； CC4060為二進制 14 位計數分頻器； CC4040二進制 12位計數分頻器； LG5011AH 為共陰數碼管。10. 數字鐘焊好通電檢查，如果數碼管不亮，需檢查整個地線是否通、 3 號管腳是否 接地11. 顯示不正常，需要用萬用表檢查每個芯片的工作電源， （紅表筆放在 14 管腳、黑 表筆放在 7 管腳）。3.3 安裝調試 在進行整體電路連接之前，應對各部分的電路進行逐一安裝和調試。 （一）晶體振蕩器的安裝和調試 振蕩電路輸出接發(fā)光二極管，觀察發(fā)光二極管的顯示情況。（二）計數器的安裝和調試1.按電路連線，輸出可接發(fā)光二極管。觀察在 CP作用下（CP為 1HZ，可由

23、555振蕩電 路提供）輸出端發(fā)光二極管的狀態(tài)變化情況，驗證是否為六十進制計數器。2. 調試過程中要注意以下幾個問題：（1）根據 HEF4518的功能表，當觸發(fā)脈沖由 CP端輸入時，EN端應接高電平，此時 CP4、上升沿觸發(fā)；當觸發(fā)脈沖由 EN端輸入時， CP輸入端接底電平，此時 CP下降沿觸發(fā)。（2）Cr 為異步復位端，高電平有效。當 Cr 為高電平時，計數器復位，正常計數時，應徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第 12 頁使 Cr=0。（ 三 ） 譯碼顯示電路的安裝和調試 按電路在實驗板上連線。它是由十進制加法計數器 CC4518，BCD-7段鎖存譯碼 / 驅動 器 CC4511和 LE

24、D七段數碼管組成。觀察在 CP作用下數碼管的顯示情況。需要注意的是， CD4511正常工作時， LT =BI 應為 高電平， LE應為底電平。（四）校時電路的安裝和調試將 555 電路輸出接發(fā)光二極管。撥動開關，觀察在 CP 1HZ作用下，輸出端發(fā)光二 極管的顯示情況。通過調節(jié) 555 電路的微調電位器來進行時鐘頻率調節(jié) ,以至和北京時間 一致即可。徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第 13 頁441 數字鐘鬧時電路、擴展功能4.2 仿電臺報時電路第 14 頁4.3 定點報時電路徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第 15 頁5 總結及體會通過本次的

25、數字鐘設計 , 使我掌握了數字鐘的制作原理和工作狀態(tài)，在理論上更進一 步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。在連接六進制 , 十進制, 六十進制的進位及十二進制的接法中 ,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能 , 那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了。實踐上焊接的水平和速度都有 所提高。但也存在一些失誤，在設計電路中 , 往往是先仿真后連接實物圖 , 但有時候仿真和 電路連接并不是完全一致的 , 在設計電路的連接圖中出錯的主要原因都是接線和芯片的接 觸不良以及接線的錯誤所引起的。在仿真過程 EWB 中，可能因為級聯時出現問題導致秒進時不準， 只從 01

26、跳到 60，而 不是從 00 跳到 60，所以在仿真時我們討論了加入觸發(fā)器的方法改善了這種狀況。之后可 能因為線路太過凌亂而導致錯誤，詳細檢查后改正，使之正確。在 Protel 制作過程中我們根據自己在 EWB 中設計的圖設計，由于線路復雜導致一些 細小的錯誤，接地出現錯誤。在 PCB 制作過程中在最后連線時， 由于單面板總是會出現綠線， 因此采取了雙面板的 制作，但在實際中浪費了材料。在焊接過程中，經過幾天的手工焊接，我們必須要有足夠的耐心和恒心才能完成這項 艱巨的任務。在排線前應該考慮這樣做會不會出現不必要的線，會引起在焊接過程中不必 要的難度。比如銅絲很容易纏在另外的銅絲上，這樣就耽誤了

27、進程。由于線路較復雜，采 用飛線連接，在檢查電路過程中，很難檢查錯誤。在飛線過程中用不同顏色的線連接，在 檢查過程中容易分辨。在最后連接主板后發(fā)現不能發(fā)出音樂，可能是在焊接過程中部分銅 線出現漏焊徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告第 16 頁參考文獻1 艾永樂 付子義. 電子技術課程指導書 ,1999 年2 趙偉軍.Protel 99 SE教程. 北京:人民郵電出版社 ,2004（第一版）：47-543 康華光. 電子技術基礎 數字部分（第四版） . 北京:高等教育出版社 ,1998 年第四版4 王慧玲 .2003 年. 電工電子實驗與實訓 . 北京：機械工業(yè)出版社 .徐海學院 11 級電

28、子技術綜合設計報告第 17 頁附錄 1 數字鐘電路EWB仿真圖附錄第 18 頁徐海學院 11 級電子技術綜合設計報告附錄 2 數字鐘電路 Protel 設計圖a1gse2345g3f3a3b3ggggseseseseg4f4a4b4ggggseseseseg5f5a5b5ggggseseseseg5gse0 R31R5R6R7R814R2R23R2R2R2R2R28R2R3RR4704707047047047047047047047047047047047044U1U2U3U4AB CD E F GA B CD E F GA BC DE F GA BC DE F GA BC DE F G4511451145114511g seg seg1 g seg seg seb1gsee1 g see4 g see5 g sec1 g seg2 g seg3 g sec